现代电子技术基础(数字部分)_第四章课件(臧春华_郑步生.ppt

1、第四章 时序电路基础,4-1 时序电路概述 4-2 集成触发器及其应用 4-3 同步时序电路分析 4-4 集成计数器及其应用 4-5 集成移位寄存器其及应用 4-6 存储器 4-7 小结,4-1 时序电路概述,1、时序电路 当前的输出不仅和当前的输入有关，而且和历史的输入有关，具有记忆功能。 电路有记忆元件触发器，触发器有0、1两种状态，状态在一定条件下可以转换，电路中触发器的状态记录了历史的输入。 当前的输出不仅和当前的输入有关，而且和当前的电路状态有关。,2、时序电路的构成,3、时序电路的分类,同步时序电路：电路中各触发器的时钟端连接在一起，所有触发器的状态同时变化（在同一时钟脉冲的上升沿

2、或下降沿时刻）。 异步时序电路：电路中各触发器的时钟输入端没有全部连接在一起，各触发器的状态不受同一个时钟脉冲统一控制。,一、基本R-S触发器 二、时钟R-S触发器 三、D触发器 四、JK触发器 五、T触发器 六、触发器小结,4-2 集成触发器及其应用,触发器：常用的记忆元件，有两个状态0和1，状态在激励的作用下可以相互转换。,一、基本R-S触发器,最简单的触发器，是构成其他触发器的基础。,1、与非门构成的基本RS触发器,2、工作原理,3、功能描述,4、工作波形图,5、或非门构成的基本R-S触发器,6、集成R-S触发器,7、应用举例,消抖动开关,二、时钟R-S触发器,基本RS触发器的翻转是直接

3、由R、S端的输入变化引起的，控制起来不方便。 增加一个允许变化的控制端，在允许变化的时刻，触发器的状态变化由输入决定，在不允许变化的时刻，输入变化也不会引起状态的变化。 时钟RS触发器： 状态的变化由时钟脉冲控制，按节拍变化，而如何变化由输入决定。,1、电路结构与工作原理,CP=0：保持； CP=1：变化。,2、逻辑功能描述,3、工作波形图,4、应用举例,数据锁存器： 在时钟脉冲到来时，把输入的数据存入触发器中。,5、时钟R-S触发器的空翻现象,空翻现象：在一个CP周期内，触发器状态发生一次以上的翻转现象。 克服空翻：在CP为高时，不允许输入信号变化。,三、D触发器,1、逻辑功能,D触发器一般

4、是响应于CP脉冲的边沿。如在CP脉冲的上升沿，激励端D的输入将置入触发器。 D=0：触发器清0，D=1：触发器置1。,2、工作波形,3、D触发器的内部电路,边沿型D触发器内部电路,4、常用集成D触发器,5、触发器的脉冲工作特性,tset: 建立时间 th: 保持时间 TWH: 时钟高电平持续时间 TWL: 时钟低电平持续时间 tpd: 延时时间,6、应用举例：组成移位寄存器,应用举例：组成2进制计数器,每来一个脉冲状态翻转一次，又称为模2计数器、二分频器。（可用于触摸开关）,应用举例：组成16进制加法计数器,应用举例：组成16进制减法计数器,四、JK触发器,1、逻辑功能,JK=00：保持； J

5、K=01：清0； JK=10：置1； JK=11：翻转。,2、边沿型JK触发器内部电路,边沿型：在下降沿读输入，下降沿输出变化。,3、主从型JK触发器内部电路,主从型：在上升沿读输入，下降沿输出变化。,4、工作波形,5、常用JK触发器,6、应用举例：组成2进制计数器,应用举例：组成16进制减法计数器,五、T触发器,T触发器： T触发器:(T1),应用举例：构成16进制减法计数器,六、触发器小结,1、触发器的名词,2、触发器的状态方程,3、2n进制异步计数器构成,加法计数器后一级的变化对着前一级的下降沿。,2n进制异步计数器构成（续1）,减法计数器后一级的变化对着前一级的上升沿。,2n进制异步计

6、数器构成（续2）,由触发器构成T触发器,前一级的输出作为后一级的CP输入，连接方式如下表。 电路中触发器的CP不是连接在同一个输入CP脉冲上，所以是异步电路，各触发器翻转的时间有差异。,一、同步时序电路 二、米里型电路的分析 三、莫尔型电路的分析 四、复杂电路的功能表描述 五、自启动 六、异步信号的同步化 七、异步电路分析举例 八、同步时序电路分析小结,4-3 同步时序电路分析,一、同步时序电路,电路中所有触发器的CP脉冲都连接在同一个输入CP脉冲上。 米里型：输出与当前的输入和状态有关。 莫尔型：输出只与当前状态有关。,同步时序电路的分析步骤,1、写出各触发器的激励方程和电路输出方程； 2、

7、导出各触发器的次态方程； 3、由次态方程填写卡诺图得到状态表； 4、由状态表画出状态图； 5、画出输出波形图； 6、总结逻辑功能。,二、米里型电路的分析,例1：分析如图电路,例1：分析如图电路（续1）,3、画状态表 4、画状态图,例1：分析如图电路（续2）,模四可逆计数器。 X=0：加计数； X=1：减计数， Z： 进位标志。,5、画输出波形图 6、总结逻辑功能,例2：分析如图电路,例2：分析如图电路（续）,串行加法器,A=01101100 （加数） B=00111010 （被加数） Q=01111000（进位） Z=10100110 （和）,三、莫尔型电路的分析,例1：分析如图电路,例1：分

8、析如图电路（续）,串行加法器,A =01101100 （加数） B =00111010 （被加数） Q1=01111000 （进位） Q2=10100110 （和）,例2：分析如图电路,同步、莫尔型、模8加法计数器,四、复杂电路的功能表描述,五、自启动,1、自启动性,时序电路中触发器的状态称为电路的状态，n个触发器有2n个状态。,有效状态：时序电路在正常工作时会出现的状态。 无效状态：时序电路在正常工作时不会出现的状态，但在刚开机或电路出现偶然错误时可能出现。 自启动性：如电路出现无效状态时，经有限个CP脉冲后能自动回到有效状态称电路具有自启动性。,例1：分析以下移位型计数器电路,例1：分析以

9、下移位型计数器电路（续）,有效序列 ： 10000100001000011000 四路脉冲分配器、节拍脉冲发生器 移位型模4计数器、环形计数器 没有自启动性。,例2：分析以下移位型计数器电路,例2：分析以下移位型计数器电路（续）,有自启动性。,2、解决自启动的常用方法,没有自启动性。,例1：分析以下电路的自启动性。, 重新设计电路,有自启动性。,例2：分析以下电路的自启动性。, 利用直接置1/清0端, 设置复位、置位电路,六、异步信号的同步化,七、异步电路分析举例,异步时序电路： 电路中触发器的CP不是连接在同一个输入CP脉冲上，由于电路的延时不同，各触发器翻转的时间有差异。,异步五进制计数器

10、,异步五进制计数器（续）,异步十进制计数器,八、同步时序电路分析小结,1、确定电路是莫尔型还是米里型； 2、写出电路的激励方程和输出方程； 3、求出电路的次态方程； 4、画出电路的状态表、状态图和波形图； 5、分析电路的自启动性； 6、总结电路的逻辑功能。,时序电路波形图的画法,1、画出时钟波形； 2、画出输入波形； 3、确定初始状态； 4、根据状态表或状态图画出状态波形； 5、根据输出方程画出输出波形。,4-4 集成计数器其及应用,一、集成计数器 二、同步加法计数器74163 三、双时钟加/减（可逆）计数器74192 四、计数器应用实例数字钟 五、集成计数器小结,一、集成计数器,计数器是通过

11、电路的状态来反映输入脉冲个数的电路。 一般来说，当某时序电路的状态图中出现循环状态时就可称其为计数器，有m个循环状态的计数器就称为模m计数器，有时也称为m分频计数器。,常用集成计数器,二、同步加法计数器74163,1、逻辑符号与功能,1、逻辑符号与功能（续),2、74163的时序波形图,3、74163的异步扩展,模256计数器,4、74163的同步扩展,模212计数器,5、74163构成任意模计数器（1）,分析以下电路。,利用复位端构成模7计数器（计数从0开始）。,74163构成任意模计数器（2）,用74163设计模7计数器（计数从0开始）。,设计从0到n计数器：(模n+1计数器) 用n状态中

12、取1的Q端接入与非门控制清零。,74163构成任意模计数器（3）,用74163设计模7计数器（计数从1开始）。,设计从m到n计数器：(模n-m+1计数器) 用n状态中取1的Q端接入与非门控制置数，置入数据为m。,6、74163构成可编程分频器,分频比：n=16-m m15 m15时，输出为直流高电平。 也可认为以上电路为模16-m计数器（m到15）。,7、可控计数器,8、74163构成序列信号发生器,74163构成模5计数器，计数状态从000100，产生的序列信号为11101，序列长度为5。,9、用74163构成脉冲分配器,10、键盘扫描电路,三、双时钟加/减(可逆)计数器74192,1、逻辑

13、符号与功能,1、逻辑符号与功能（续）,2、74192时序波形图,3、74192的扩展,4、74192构成任意模计数器（1）,利用复位端构成模7计数器（计数从0开始）,74192构成任意模计数器（2）,利用置数端构成模7计数器。,5、 74192构成时标电路,四、计数器应用实例数字钟,、石英晶体和晶体振荡器,1、秒信号产生电路,石英晶体,石英晶体,晶体振荡器,由石英晶体振荡器和分频器组成。,、门电路组成晶体振荡器,TTL门电路 组成晶体振荡器,CMOS门电路 组成晶体振荡器,、分频器,石英晶体产生的振荡频率通常非常高，需要用分频器进行分频处理，可用计数器组成多级分频器。,2、计数、译码、显示电路

14、,6个数码管、6个显示译码器、两个模60计数器、1个模24计数器组成。,BCD码模24计数器设计,个位,十位,正常计数时，两MUX地址端开关S1和S2都接地，MUX-选择“时”脉冲，MUX-选择“分”脉冲；当把开关S1接电源时，MUX-选择秒脉冲，进行校“时”。同理，当把开关S2接电源时，进行校“分”。,3、校时电路,五、集成计数器小结,1、状态：0n 用同步清零端时，用n状态返回清零。 用异步清零端时，用n+1状态返回清零。 2、状态：n1n2 用同步置数端时，用n2状态返回置数，数据输入端为n1值。 用异步置数端时，用n2 +1状态返回置数，数据输入端为n1值。 3、返回的状态只要把取值为

15、1的Q端接入与非门（或与门）的输入端。,模n计数器设计小结,4-5 集成移位寄存器其及应用,一、集成移位寄存器 二、四位双向移位寄存器74194 三、移位型计数器 四、串-并、并-串变换器 五、线性移位寄存器 六、移位寄存器应用实例 七、集成移位寄存器小结,一、集成移位寄存器,寄存器： 存储数据的电路称为存储器；暂存数据而规模较小的存储器称为寄存器。 移位寄存器： 把寄存器一级一级地串联起来处理数据的电路是移位寄存器。,常用集成移位寄存器,二、4位双向移位寄存器74194,1、逻辑符号与功能,1、逻辑符号与功能（续）,2、移位寄存器的扩展,三、移位型计数器,1、分析以下电路(1)。,M0=1，

16、M1=0：右移；DSR=QD。,无自启动性的环形计数器,2、分析以下电路(2),M1=0：右移操作； SDR=QD M1=1：置数操作， 置入数据=1000。,分析以下电路(2续),有自启动性的环形计数器。,M1=0：右移操作； SDR=QD M1=1：置数操作， 置入数据=1000。,3、有自启动性的环形计数器设计, 控制置数操作,有自启动性的环形计数器设计（2）, 控制串入的数据,4、无自启动性的扭环形计数器,5、有自启动性的扭环形计数器（1）, 控制置数操作,5、有自启动性的扭环形计数器（2）, 控制串入的数据,5、有自启动性的扭环形计数器（3）, 控制清零（异步清零）,四、串-并、并-

17、串变换器,1、8位串-并变换器,2、8位并-串变换器,1、线性移位寄存器 n位移位寄存器所能产生的伪随机序列长度P2n-1,长度P= 2n-1的伪随机序列又称为M序列。 反馈函数为：S=C0(C1Q1)(CnQn),五、线性移位寄存器,2、M序列反馈函数,3、M序列举例,例：分析以下电路。,电路产生的M序列为： 100011110101100,4、M序列发生器的自启动问题,M序列发生器中全0状态为无效状态，不具备自启动能力，如需自启动，可用全0状态控制置数。,六、移位寄存器应用实例,汽车尾灯控制器 汽车夜间行驶，尾灯的变化规律如下： 行驶： 六只灯全部点亮； 左转弯：左边三只灯从右向左循环闪动

18、， 右边三只灯熄灭； 右转弯：右边三只灯从左向右循环闪动， 左边三只灯熄灭； 停车： 六只灯一明一暗同时闪动。,汽车尾灯控制器电路（1）,汽车尾灯控制器电路（2）,74192组成模3计数器，又是001序列发生器，序列从Q0端输出。,汽车尾灯控制器电路（3）,置数输入为：全1,置数输入为：两次1，一次0。,串入数据为：001,七、集成移位寄存器小结,4-6 存储器,一、存储器的概念 二、随机访问存储器（RAM） 三、存储器的扩展 四、只读存储器（ROM） 五、快闪存储器（Flash ROM）,一、存储器的概念,存储器：用于存储大量数据或信号的器件。 半导体存储器：采用专门的电路结构，满足大量数据

19、存储要求的半导体器件。 磁表面存储器：硬盘、软盘等利用电磁特性的存储器 。 光存储器：各种光盘，采用激光照射产生的高温使光盘的表面凹进去表示1，平滑的地方表示0。,半导体存储器,半导体存储器由许多记忆元件组成，用以存储一系列二进制数码。mn存储器表示m个字，字长为n。 1、操作 写入：信息存入存储器。 读出：从存储器取出信息。 2、分类 生产工艺： MOS存储器和双极型存储器； 接口形式：随机访问、顺序访问（先进先出、 先进后出）。 读写方式：只读存储器(ROM)、可读写存储器(RAM)、 快闪存储器。,、地址线：n条地址线可以寻址2n个字； 、数据线：m条数据线，输入输出m位数据，一般是双向

20、、三态的； 、控制线：读写控制线控制对RAM的读写操作；片选控制线控制选中芯片。 、电源线和地线,3、半导体存储器的引脚,128K8 顺序访问存储器,32K8 随机访问存储器,二、随机访问存储器RAM,可以随机地访问存储器中的任一地址。 易失性，掉电后数据丢失，变成随机数据。,1、二元寻址方法,2、读写控制电路,3、静态RAM（SRAM）,、静态RAM的存储单元 记忆单元为双稳态电路，无触发时状态不变。,、静态RAM读写时序图,、常用的静态RAM芯片,、2114框图,4、动态RAM（DRAM）,、动态RAM的存储结构 记忆单元为MOS管上的极间电容，电容上有一定的电荷时为“1”，否则为“0”。无触发时，电路有漏电流，信息会丢失，因此要不断刷新。 动态RAM存储容量大，集成度高，但外部要增加刷新电路，使用复杂。,、动态RAM逻辑框图,动态RAM的存储容量大、地址线多，通常采用两次输入地址的方法，即行地址和列地址分两次输入。,、动态RAM时序,三、存储器的扩展,位扩展：84RAM扩展成88RAM。 字扩展：84RAM扩展成164RAM。,44RAM扩展成164RAM,42RAM扩展成84RAM,四、只读存储器(ROM),只可读操作，不可写操作，但现在的很多ROM芯片均可写。但写入方式比较特殊。 非易失性，掉电后数据不会丢失。,固定ROM：工厂订制，使用时只读不写。 PR